采用电阻率法的纵向弥散度室内测定研究_邓富祥.pdf

：采采用用电电阻阻率率法法的的纵纵向向弥弥散散度度室室内内测测定定研研究究邓富祥，凌成鹏，黄婷（成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都；成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都）摘要弥散度是表征地下水中污染物扩散的关键参数之一，对于模拟和预测污染物的扩散具有重要的意义。由于电阻率的测量具有简单快速的优势，本文采用电阻率法饱和砂体的弥散度值进行了评价。在室内进行一维水动力弥散实验，以氯化钠（）溶液作为示踪剂，采用电阻率法获得了不同位置的示踪剂穿透过程和去除过程，评价了石英砂的纵向弥散度值。结果显示：电阻率法能够得到示踪剂的扩散过程，评估的石英砂（目）纵向弥散度值在 范围内，平均值 ，与柱体出口测得的纵向弥散度 相近。本研究表明电阻率法可以用于监测盐分等在多孔介质中的水动力弥散过程，并能对弥散度等关键参数进行评估。关键词电阻率法；纵向弥散度；穿透曲线；动态监测中图分类号；文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主课题（）作者简介邓富祥（），男，江西会昌人，在读硕士研究生，主攻方向：岩土工程。，（o oo，o o o ，；oo o o o oo oo，o oo，）：o o o o o o o o，o o o o o o ，o o o o o o o o o oo o o（）oo ，o o o o o oo o o o o o o o o o o o ，o o （）o o ，o ，o o o o o o oo o o oo oo，：o；o；o；oo引言由于浓度梯度、含水层非均质性、各向异性等的影响，污染物进入地下水之后会发生水动力弥散现象。对流 弥散方程是描述污染物水动力弥散和对流过程的控制方程。在对流 弥散方程中，地下水弥散系数是描述污染物浓度变化的一个重要参数，分为纵向弥散系、数和横向弥散系数。地下水弥散系数为地下水流速与弥散度的乘积。弥散度是表征多孔介质的内在参数，与地下水流场无关。弥散度的测定是构建地下水中污染物迁移模型的重要步骤。目前，测定弥散度（或弥散系数）的常用方法有：实验室测定、野外弥散试验以及根据长期实际观测资料进行反演求参等方法。实验室测定弥散系数通常采用一维弥散试验装置。用岩土样均匀地填满柱体，保持稳定渗流条件，进行示踪剂注入试验，采用解析解求得弥散系数值。野外弥散试验，通过采用一孔投源、多孔观测的试验方法。在示踪剂投放后，监测各观测孔中示踪剂的浓度变化过程。根据监测数据，采用逐点求参法、等值线图解法及标准曲线法等方法 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.求取水动力弥散系数。电阻率是用来表示物质电阻特性的物理量。在岩土介质中，电阻率值与矿物成分、排列结构、水分特征、温度等因素有关。因为测量具有简单快速等优势，电阻率法在水分入渗过程、污染物扩散过程、地质条件勘察 等领域得到了广泛的应用。在饱和的岩土介质中，水中的盐分是影响岩土体电阻率的关键因素。在饱和条件下，岩土体的电导率（电阻率的倒数）通常与其中水分的电导率成正比关系，而水分的电导率又与盐分成正比关系。因此，通过监测弥散实验中介质的电阻率变化，可以获得盐溶液等示踪剂的扩散过程 。本研究在室内建立一维砂柱物理模型，以 溶液为示踪剂，采用电阻率法监测了示踪剂的穿透过程和去除过程，评价了两个过程中的纵向弥散系数值。试验材料与方法 试验装置本试验采用的柱体为内径 ，高 的 管，底部正中设有一个直径 的进水口，在柱体高度 处设有一个直径 的出水口（图）。柱体内部填充石英砂，首先在柱体底部填充厚 的 目石英砂，然后再分层填充厚 的 目石英砂，最后在顶部填充厚 的 目石英砂。不同砂层之间使用纱布阻隔过滤，防止砂层结构被破坏。石英砂的填充总厚度为 ，主要研究对象为中间厚 的 目石英砂。在柱体中部 目石英砂的顶端和底端安装测压管，测压管口距离为 ，测量两个断面之间的水头差。在柱体出水口测量流量、溶液电导率、温度等参数。图 实验装置图为了获得柱体内不同断面的电阻率值，在柱体高度分别为 、的位置上布设电极。在每个高度上沿柱体四周均匀布设 个电极，共计 个电极（图）。电极为采用直径 、长 的不锈钢螺钉。试验过程与数据测量试验过程分为三个阶段，第一阶段为自来水的稳定渗流；第二阶段为氯化钠（）溶液的穿透过程；第三阶段为自来水对氯化钠溶液的去除过程。（）在柱体内石英砂填充完毕之后，将电导率为 的自来水由底部缓慢注入，使石英砂达到饱和状态。待水流稳定之后，测量出水流量、测压管水头、溶液电导率、柱体各断面电阻率值等参数值；（）将进水更换为电导率 的氯化钠溶液，以 一次的频率测量水流量、测压管水头和溶液电导率值，以 一次的频率测量柱体各断面的电阻率值。待出水口的溶液电导率与进水口的电导率一致，并达到稳定状态之后，进行下一阶段的试验；（）将进水更换为电导率 的自来水，同样以 一次的频率测量水流量、测压管水头和溶液电导率值，以 一次的频率测量柱体各断面的电阻率值。待出水口的溶液电导率与进水口的电导率一致，并达到稳定状态之后结束试验。电阻率法数据测量与处理采用四极法测量柱体各断面的电阻率值，每次测量采用两个供电电极（、）供电流，两个电位电极（、）测量电位差（图）。图 断面电阻率测量断面的电阻率值计算公式为：（）式中：为电阻率值，单位；为装置系数，单位为。装置系数与实验装置尺寸、电极布置形式等有关。装置系数 的计算可以采用两种方法：一种为物理实验方法，进行多组已知电导率溶液条件下的电阻率值测量，获得溶液电阻率值（电导率的倒数）与四极法电阻值（）之间的关系，拟合求解装置系数；另一种采用数值模拟方法，模拟实验装置、电极布置与电阻率测量，求解装置系数。本实验采用第一种方法，以电极（）、（）、（）、（）为例，拟合得到的装置系数为 ，拟合方程的决定系数（）在 以上（图）。图 装置系数拟合曲线试验中电阻率测量设备为南京九州勘探技术有限公司生产的高密度电阻（率成像法）测定系统。系统由主机和控制电脑构成，两者通过两根 电缆连接。设备可以进第 卷第 期地下水 年 月行点测、扫描测定、自然电位测定电极、激发极化法测定等模式。本次试验共使用 个测试电极，测试方式选择多通道时间变化自动测定扫描测定模式，扫描测定频率为每 分钟一次。为了提高数据的准确性，每个断面测量两组（图），以第一层断面为例，第一组数据为电极（）和（）供电，电极（）和 （）测量，第二组数据为电极 （）和（）供电，电极（）和（）测量。将测量得到的数据按照式（）进行计算，求各断面两组电阻率值的平均值，获得各断面的电阻率值。试验结果与讨论 溶液的电导率值与 浓度成线性关系，因此可以用电阻率值的变化来指示示踪剂的穿透过程，并进行弥散系数等的计算。为了消除背景值的影响，对柱体出流溶液的电导率数据进行归一化处理，计算公式为：o （）式中：o为归一化之后的电导率值；为柱体出口实测的电导率值，单位为 ；和分别为实测电导率值的最大值和最小值，单位为 。图 给出了柱体出流溶液的归一化电导率（o）变化过程。归一化电导率的变化过程大致呈“几”字型分布。整个试验过程可以分为三个阶段：第一阶段在 之前，为自来水的稳定流阶段，在此阶段归一化电导率值为；第二阶段从 开始，为盐溶液的渗流阶段。在注入示踪剂 左右，示踪剂开始出现在柱体出口，到 时浓度达到最大，完成示踪剂的穿透过程，达到稳定状态；第三阶段从 开始，为自来水的渗流阶段。在 左右，电导率值开始减小，到 时，电导率值降低至初始背景值。图 电阻率法测试系统图 出水口处的溶液归一化电导率变化根据达西定律，目石英砂的渗透系数为 。试验过程中水的渗流速度为 。根据柱体电导率的变化过程，可以计算纵向弥散系数和纵向弥散度，根据文献 计算公式为：（）（）式中：为自示踪溶液入口算起的监测点距离（）；、分别为归一化电导率值为 、时所对 应 的 时 间（）；为 孔 隙 平 均 流 速（），。由图 可知，（）在示踪剂注入阶段，为 ，为 ，为 。孔隙平均流速 为 。得到 目石英砂的纵向弥散系 数 为 ，纵向弥散度 为 。（）在示踪剂被去除阶段，为 ，为 ，为 。孔隙平均流速 为 。得到 目石英砂的纵向弥散系数 为 ，纵向弥散度 为 。（）示踪剂浓度的下降过程存在“拖尾”现象，具有次弥散型反常迁移特征。图 为电阻率法获得的各断面归一化电导率变化过程。可以看出，（）曲线形态与出口获得的曲线形态类似，呈“几”字型分布；（）曲线反映了示踪剂在柱体内的迁移过程，由柱体下部向上部逐次形成穿透过程。图 给出了归一化电导率值的变化过程，示意了示踪剂的注入过程和去除过程。颜色深浅表示了示踪剂浓度高低。图 电阻率法得到的归一化电导率变化过程根据各断面归一化电导率值的变化过程，可以获得各断面的纵向弥散系数和纵向弥散度值，见表。在示踪剂注入阶段，电 阻 率 获 得 的 纵 向 弥 散 系 数 值 在 范围内，平均值 。纵向弥散度值在 范围内，平均值 。在示踪剂去除阶段，电 阻 率 获 得 的 纵 向 弥 散 系 数 值 在 范围内，平均值 。纵向弥散度值在 范围内，平均值 。对比柱体出口示踪剂电导率与各断面电阻率法的监测结果，可以发现两者的结果总体一致。例如，示踪剂注入阶段，电导率仪监测的纵向弥散系数为 ，纵向弥散度为 。电阻率获得的纵向弥散系数平均值为 ，纵向弥散度平均值为 。相比常规的方法，电阻率可以获得柱体各断面的示踪剂扩散过程。由于电极布置的灵活性，便于自动化监测等优点，电阻率法可以对污染物的扩散进行高分辨率的刻画。在第 卷第 期地下水 年 月实际应用中，电阻率法可以为水动力弥散系数测定、污染物扩散过程监测、污染修复效果评估提供丰富的基础数据。图 电阻率法得到的柱体电导率分布与变化过程表 电阻率法得到的纵向弥散系数和纵向弥散度值阶段断面 示踪剂注入示踪剂去除 结语本文在室内进行一维水动力弥散实验，主要采用 目石英砂填充柱体，以氯化钠溶液作为示踪剂，进行示踪剂穿透过程和去除过程。采用电阻率法对柱体不同位置的示踪剂变化过程进行了监测，结果显示：（）电阻率法能够清晰地获得示踪剂的扩散过程，比常规的测量方法具有显著优势；（）电阻率法得到的纵向弥散度值在 范围内，平均值 ，与柱体出口测得的纵向弥散度 相近。本研究表明电阻率法可以用于监测盐分等在多孔介质中的水动力弥散过程，并能对弥散度等关键参数进行评估。参考文献郭芷琳，马瑞，张勇，等 地下水污染物在高度非均质介质中的迁移过程 机理与数值模拟综述 中国科学 地球科学o，o，o o o o o oo：o o ：王焰鑫 地下水污染与防治 高等教育出版社 杨海瑞，陈静，陈枭萌，等 榆阳矿区含水介质弥散实验研究 地下水 （）：曹恩伟，刘仍阳，常大海，等 低渗透性多孔介质室内弥散实验及弥散度求解研究 环境科学与管理 （）：蒋学敏，邵景力，张兆吉，等 地下水水动力弥散系数的野外试验研究以内蒙古某矿区为例 干旱区资源与环境 （）：伍开江，周启 友 盐溶液 入渗过 程的 电阻率 成像法 时空 监测 地球科学与环境学报（）：郭秀军，魏丽，贾永刚，等 垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层及修复过程的 三 维 动 态 监 测 实 验 地 球 物 理 学 进 展（）：徐小兵，程久龙，韩承强，等 高密度电阻率法层析成像技术及其在水文地质中的应用 煤矿开采（）：王启军，胡延林，都兴锋，等 高密度电阻率法在工程勘查中的应用 地球物理学进展 （）：崔元星，李中和，宁书年 电阻率成像技术用于矿区地下水环境监测的探讨 中国煤炭（）：石健，张彦，邹开云，等 土柱试验中充填介质对纵向弥散系数的影响研究 安徽农业科学 （）：苑绍东，张文杰，袁姗姗 溶质迁移的弥散度取值试验研究 岩土力学（）：李国山，周启友，刘汉乐，等 高密度电阻率成像法监测静水中溶质运移过程 工程勘察（）：刘汉乐，樊光旭 砂箱模型中溶质运移过程的二维电阻率成像法监测 桂林理工大学学报 （）：李国山，周启友，刘汉乐 高密度电阻率法监测纳米胶体在多孔介质中运移的实验 地球科学与环境学报 （）张嘉，王明玉 纵向弥散作用与